Ruim een halve eeuw geleden bedacht computerpionier Alan Turing een idee om zeewater efficiënter in drinkwater om te zetten. Dat idee wordt nu voor het eerst in de praktijk gebracht.
Wereldwijd drinken meer dan 300 miljoen mensen water dat oorspronkelijk uit de zee komt. Er zijn twee standaardmanieren om dat water te ontzouten. De eerste is zeewater koken en het verdampte, zuivere water verzamelen. De tweede is zeewater pompen door membranen die het zout eruittrekken.
In het Midden-Oosten is het koken van zeewater goedkoper. In de rest van de wereld geniet het tweede proces, omgekeerde osmose genaamd, de voorkeur. Met de huidige membranen moet echter altijd een compromis worden gesloten tussen hoe snel het water erdoorheen stroomt en hoeveel zout ze eruithalen.
Turing-structuren
In 1952 schreef wiskundige Alan Turing over dit onderwerp zijn enige scheikundige artikel. Onderzoekers van de Zhejiang University in het Chinese Hangzhou lieten zich door deze publicatie inspireren. Ze maakten filtratiemembranen die water snel kunnen doorlaten zonder dat de zoutextractie achteruitgaat. Hun onderzoek is gepubliceerd in Science.
De membranen zijn gemaakt van een conventionele vorm van plastic, polyamide genaamd. Ze hebben echter ongebruikelijke patronen op het oppervlak, zogeheten Turing-structuren. Deze structuren zijn in 1952 door de legendarische codekraker op papier voorgesteld.
Sommige van de membranen zijn bedekt met kleine naden of ribbels. Andere hebben langere, gleufvormige naden die de membranen uitvergroot van bovenaf een gestreept voorkomen geven.
Deze nanonaden worden gevormd door een chemische reactie tegelijkertijd te versnellen en te vertragen. In dit geval gebeurde dat tijdens het omzetten van lange ketens van monomere bouwstenen in polyamideplastics.
Vijf keer zo snel
De onderzoekers voegden een extra substantie toe die de polymerisatie activeert en een andere die dat proces juist blokkeert. De ene substantie verspreidt zich sneller door het reactiemengsel dan de andere, zodat de vorming van polymeren in sommige zones toeneemt en in andere juist afneemt. Dat resulteert in de oppervlaktenaden of -ribbels, afhankelijk van de gekozen reactieomstandigheden.
De naden zijn het geheim van de verbeterde output van de membranen. ‘Het membraan met de Turing-structuren kan zouten vijf keer zo snel uit water halen als conventionele filtratiemembranen’, zegt onderzoeker Lin Zhang. ‘En het haalt het zout met dezelfde nauwkeurigheid weg.’
Het team stuurde water door het membraan dat verontreinigd was met gouden nanodeeltjes. De nanodeeltjes verzamelden zich rond de ribbels en strepen, wat aangeeft dat het water daardoorheen ging. Grotere deeltjes zoals zout worden gevangen in de oneffen oppervlaktestructuren. Toen ze het opnamen tegen zestien commercieel verkrijgbare ontzoutingsmembranen, presteerden de membranen met de Turing-structuren het beste van allemaal.
Californië, een staat die wordt geteisterd door aanhoudende droogte, bestelde in januari acht nieuwe ontzoutingsinstallaties. Nu natuurlijke zoetwaterbronnen door aardopwarming en bovenmatige extractie achteruitgaan, zal het aantal mensen dat voor drinkwater afhankelijk is van de zee vermoedelijk stijgen. Turings uitgestelde cadeau kan ervoor zorgen dat deze mensen het zeewater de komende jaren veel sneller drinkbaar kunnen maken.
Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.
Lees verder: